ogarniam.edu.pl
Klasa
Zacznij naukę →Zacznij →

ogarniam.edu.pl · Fizyka · Grawitacja i elementy astronomiiklasa 1 LO · fiszki i quiz: ogarniam.edu.pl/lo/1/fizyka/predkosci-kosmiczne-i-ruch-satelitow/

Fizyka · Grawitacja i elementy astronomii · kl. 1 · zakres rozszerzony

Prędkości kosmiczne i ruch satelitów

Satelita krąży, bo Ziemia go przyciąga, a on stale „omija” jej powierzchnię. Policzysz, jak szybko musi lecieć, żeby krążyć, i jak szybko, żeby uciec.

ok. 4 min czytania9 fiszek8 pytań w quizie🔊 Posłuchaj notatki

1Prędkość na orbicie

  • Oznaczenia: v – szybkość satelity na orbicie kołowej [m/s]; G – stała grawitacji [N·m²/kg²]; M – masa planety [kg]; m – masa satelity [kg]; r – promień orbity, mierzony od środka planety [m]; h – wysokość nad powierzchnią [m]; R – promień planety [m]; T – okres obiegu [s].
  • Grawitacja jest siłą dośrodkową: G · M · m przez r2 = m · v2 przez r. Masa satelity m się skraca.
Zapamiętaj

v = pierwiastek z G · M przez r, T = 2π · r przez v. Wyżej (większe r) satelita ma mniejszą szybkość i dłuższy okres.

  • Przykład 1. Dane: ISS na wysokości h = 420 km, RZ = 6371 km, MZ = 5,97·1024 kg, G = 6,67·10−⁠11 N·m²/kg². Wzór: r = RZ + h, v = pierwiastek z G · M / r. Obliczenia: r = 6 791 000 m, v ≈ 7,66·103 m/s, T = 2π · 6,791·106 przez 7,66·103 s ≈ 5570 s. Odpowiedź: v ≈ 7,7 km/s, T ≈ 93 min.

2Prędkości kosmiczne

vv < v₁: spada na planetęv = v₁: orbita kołowav₁ < v < v₂: elipsav ≥ v₂: ucieczka
Im większa prędkość pozioma, tym dalej spada ciało. Przy prędkości v₁ krąży po okręgu, przy v₂ ucieka
Zapamiętaj

I prędkość kosmiczna (orbita kołowa tuż nad powierzchnią): v₁ = pierwiastek z G · M przez R = pierwiastek z g · R. Dla Ziemi ok. 7,9 km/s.

  • Tu g to przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni planety [m/s²]. Sprawdzenie: pierwiastek z 9,81 · 6,37·106 m/s ≈ 7,9·103 m/s.
Zapamiętaj

II prędkość kosmiczna (ucieczki z pola grawitacyjnego planety): v₂ = pierwiastek z 2G · M przez R = pierwiastek z 2 · v₁. Dla Ziemi ok. 11,2 km/s.

  • Skąd v₂? Energia kinetyczna ciała musi wystarczyć na oddalenie go „do nieskończoności”: m · v₂2 przez 2 = G · M · m przez R (energię potencjalną grawitacji poznasz dokładniej w klasie II).
  • Ciało wystrzelone poziomo z prędkością między v₁ a v₂ krąży po elipsie, a przy v ≥ v₂ ucieka z pola grawitacyjnego planety (pomijamy opór powietrza).
Sprawdź, czy rozumiesz

Ciało wystrzelono z powierzchni Ziemi z prędkością 12 km/s (pomijamy opór powietrza). Co się z nim stanie?

3Orbita geostacjonarna

  • Satelita geostacjonarny obiega Ziemię w ciągu doby gwiazdowej (ok. 23 h 56 min), po orbicie kołowej w płaszczyźnie równika i w kierunku obrotu Ziemi. Dlatego „wisi” nad jednym punktem równika.
  • Z III prawa Keplera jego orbita ma promień ok. 42 200 km, czyli leży ok. 35 800 km nad powierzchnią Ziemi.
Uwaga na błąd

Wstawianie do wzoru wysokości nad powierzchnią zamiast promienia orbity r = R + h.

✎Ściąga: Prędkości kosmiczne i ruch satelitów

Najważniejsze w pigułce – przeczytaj tuż przed kartkówką lub sprawdzianem.

  • v = pierwiastek z G · M przez r, T = 2π · r przez v. Wyżej (większe r) satelita ma mniejszą szybkość i dłuższy okres.
  • I prędkość kosmiczna (orbita kołowa tuż nad powierzchnią): v₁ = pierwiastek z G · M przez R = pierwiastek z g · R. Dla Ziemi ok. 7,9 km/s.
  • II prędkość kosmiczna (ucieczki z pola grawitacyjnego planety): v₂ = pierwiastek z 2G · M przez R = pierwiastek z 2 · v₁. Dla Ziemi ok. 11,2 km/s.
  • Oznaczenia: v – szybkość satelity na orbicie kołowej [m/s]; G – stała grawitacji [N·m²/kg²]; M – masa planety [kg]; m – masa satelity [kg]; r – promień orbity, mierzony od środka planety [m]; h – wysokość nad powierzchnią [m]; R – promień planety [m]; T – okres obiegu [s].
  • Przykład 1. Dane: ISS na wysokości h = 420 km, RZ = 6371 km, MZ = 5,97·1024 kg, G = 6,67·10−⁠11 N·m²/kg². Wzór: r = RZ + h, v = pierwiastek z G · M / r. Obliczenia: r = 6 791 000 m, v ≈ 7,66·103 m/s, T = 2π · 6,791·106 przez 7,66·103 s ≈ 5570 s. Odpowiedź: v ≈ 7,7 km/s, T ≈ 93 min.

?Quiz: powtórz przed kartkówką

8 pytań w stylu kartkówki i sprawdzianu. Odpowiedz w myślach, potem sprawdź odpowiedź. Rozwiąż quiz z wynikiem – każda odpowiedź ma wyjaśnienie.

  1. Jaki wzór opisuje szybkość satelity na orbicie kołowej o promieniu r?

    1. Av = √(GM / r)
    2. Bv = GM / r²
    3. Cv = √(GM · r)
    4. Dv = GM / r
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź A: v = √(GM / r) – Z równości siły grawitacji i siły dośrodkowej: GMm/r² = mv²/r.

  2. Jak zmieni się szybkość satelity, gdy przeniesiemy go na wyższą orbitę kołową?

    1. ASpadnie do zera
    2. BWzrośnie
    3. CNie zmieni się
    4. DZmaleje
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź D: Zmaleje – v = √(GM/r), więc im większe r, tym mniejsza szybkość. Okres obiegu się wydłuża.

  3. Jak masa satelity wpływa na jego szybkość orbitalną?

    1. AWcale, bo masa się skraca
    2. BSzybkość maleje z masą
    3. CSzybkość jest wprost proporcjonalna do masy
    4. DSzybkość jest proporcjonalna do kwadratu masy
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź A: Wcale, bo masa się skraca – Masa m występuje po obu stronach równania sił i skraca się.

  4. Ile wynosi I prędkość kosmiczna dla Ziemi?

    1. Aok. 3,1 km/s
    2. Bok. 300 000 km/s
    3. Cok. 7,9 km/s
    4. Dok. 11,2 km/s
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: ok. 7,9 km/s – v₁ = √(gR) = √(9,81 · 6,37·10⁶) m/s ≈ 7,9 km/s.

  5. Jaka jest II prędkość kosmiczna dla Ziemi i jaki jest jej związek z I?

    1. Aok. 11,2 km/s, v₂ = √2 · v₁
    2. Bok. 7,9 km/s, v₂ = v₁
    3. Cok. 15,8 km/s, v₂ = 2v₁
    4. Dok. 5,6 km/s, v₂ = v₁/√2
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź A: ok. 11,2 km/s, v₂ = √2 · v₁ – Prędkość ucieczki to v₂ = √(2GM/R) = √2 · v₁ ≈ 11,2 km/s.

  6. Satelita krąży na wysokości 420 km nad Ziemią o promieniu 6371 km. Jaką wartość r podstawiasz do wzoru na szybkość orbitalną?

    1. A420 km
    2. B6791 km
    3. C5951 km
    4. D6371 km
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź B: 6791 km – r liczymy od środka planety: r = R + h = 6371 km + 420 km = 6791 km.

  7. Satelita geostacjonarny to taki, który

    1. Aobiega Ziemię w ciągu doby gwiazdowej nad równikiem i „wisi” nad jednym punktem
    2. Bkrąży nad biegunami co godzinę
    3. Cnie podlega grawitacji
    4. Dstoi nieruchomo w przestrzeni
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź A: obiega Ziemię w ciągu doby gwiazdowej nad równikiem i „wisi” nad jednym punktem – Jego okres obiegu jest równy okresowi obrotu Ziemi, więc stale znajduje się nad tym samym punktem równika.

  8. Ciało wystrzelono z powierzchni Ziemi z prędkością 12 km/s (pomijamy opór powietrza). Co się z nim stanie?

    1. ASpadnie z powrotem na Ziemię
    2. BBędzie krążyć tuż nad powierzchnią po okręgu
    3. COpuści pole grawitacyjne Ziemi, bo przekracza II prędkość kosmiczną
    4. DZatrzyma się na orbicie geostacjonarnej
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: Opuści pole grawitacyjne Ziemi, bo przekracza II prędkość kosmiczną – 12 km/s jest więcej niż 11,2 km/s, więc ciało ucieka z pola grawitacyjnego Ziemi.

Cały dział „Grawitacja i elementy astronomii”: ściąga i próbny sprawdzian →

Kartkówka albo sprawdzian już blisko?

Rozwiąż quiz z wynikiem i powtórz materiał na fiszkach. Każda odpowiedź ma wyjaśnienie, a postęp zapisuje się bez zakładania konta.

Więcej: Fizyka, klasa 1

Badania w fizycePomiary i niepewność pomiarowaNiepewności pomiarowe i dopasowanie prostejWielkości wektorowe i skalarneAnaliza danych i wykresyNarzędzia matematyczne w fizyceRachunek wektorowy i trygonometriaPodstawowe pojęcia kinematykiPrędkośćRównanie ruchu i ruch względnyPrzyspieszenieRuch jednostajny prostoliniowyRuch prostoliniowy zmiennyRuch zmienny – wykresy a(t), zadania i przyspieszenie w ruchu krzywoliniowymRuch po okręguPrędkość kątowa i ruch po okręgu ze zmienną prędkościąRzut poziomy i rzut ukośnyDoświadczenia z kinematykiSiła i jej cechyRodzaje siłUkłady nieinercjalne i siły bezwładnościZasady dynamiki NewtonaTarcieRównia pochyła i zadania z tarciemSiła dośrodkowaDynamika ruchu po okręguDoświadczenia z dynamikiPraca mechanicznaMocEnergia mechaniczna i jej zasada zachowaniaPraca siły zmiennej, twierdzenie o pracy i energiiMoc w ruchu i sprawność urządzeńPęd, zasada zachowania pędu i zderzeniaDoświadczenia: praca, moc, energiaCiśnienieSiła wyporu i prawo ArchimedesaCiśnienie całkowite, naczynia połączone i pływanie ciałDoświadczenia z hydrostatykiPrawo powszechnego ciążeniaPrzyspieszenie grawitacyjne i prawa KepleraUkład Słoneczny, Galaktyka i WszechświatSatelity, nieważkość i przeciążenieBryła sztywna i moment siłyMoment bezwładności i dynamika ruchu obrotowegoEnergia kinetyczna ruchu obrotowegoPlanowanie doświadczeńPrzeprowadzanie pomiarówAnaliza wynikówWybrane doświadczenia w klasie 1Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego wahadłem